수소, 너 어디에서 왔니?

 

 

 

 

 

 

현재 지구온난화와 초 미세먼지, 이상기후 등 지구에 많은 환경문제가 발생하면서 “청정에너지, 신재생에너지의 발명에 많은 노력을 기울여야한다”고 말한다. 그런데 여기에서 ‘에너지를 발명하다.’라는 의미가 적절한 것인지 의문이 간다. 과거 나무를 연소시켜 불을 피웠고, 현재 석탄 혹은 석유를 연소시켜 전기를 생산하고 있다. 과연 과거에는 석탄과 석유 등 화석연료가 존재하지 않아서 나무를 사용하였을까?

아니, 그렇지 않다. 과거에도 화석연료는 존재했다. 단지, 땅이나 바다 저 아래에 분포되어 있는 화석연료를 꺼내 사용할 수 있는 ‘기술력’이 부족했을 뿐이었다. 이후 산업혁명이 일어나고 기술이 발전함에 따라 땅 또는 바다 깊은 곳에 위치해 있던 화석연료를 끌어올려 그 화석연료를 현재 에너지 생산에 이용할 수 있게 된 것이다. 때문에 미래에너지원은 "지금도 어딘가에 내장되어 있고 그것을 ‘발견’하여 사용하다." 라는 단어표현이 적절하다.

현재 미래에너지원으로 주목받고 있는 수소 또한 물질 어딘가에 있을 것이며, 우리는 미래 화석연료고갈문제 해결방안으로써 어딘가에 존재해 있을 수소들을 발견하여 에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 기술개발에 힘써야 할 것이다.

수소에너지란 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 연소시켜 얻어내는 에너지로서 물의 전기분해로 쉽게 제조할 수 있으며, 가스나 액체로 수송할 수 있고, 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 가능하여 미래청정에너지원으로 급부상하고 있다. 이렇게 주목을 받고 있는 수소, 어디로부터 발견되고 그것을 어떻게 에너지로 변환하여 사용하고 있을지 알아보자.

 

1) 천연가스 이용 수소제조기술

수소제조의 출발 물질은 물, 석유, 석탄, 천연가스 및 가연성 폐기물로 다양하게 출발할 수 있으며, 수소로의 전환공정에는 전기, 열 및 미생물 등을 사용하여야만 가능하다. 수소제조를 할 수 있는 여러 기술들은 기초연구 내지 기술 개발단계에 있는 것이 대다수지만, 현재는 석유, 천연가스, 석탄 등 화석연료로부터 수증기 개질을 통해 수소를 생산하는 방법이 주로 활용되고 있다. 또한, <표1>을 통해 화석연료 중에서도 천연가스사용이 세계적으로 48%로 많은 비율을 차지하고 있음을 볼 수 있으며, <표2>를 통해서는 개질기술 가운데 천연가스의 수증기 개질방법이 이산화탄소를 가장 적게 배출하는 공정기술임을 알 수 있다.

원료원	세계 생산비율,%
천연가스	48
기름	30
석탄	18
전기분해	4

 <표1> 원자력을 이용한 수소제조, 한국에너지기술연구원 수소에너지 연구센터, 2001.7.12.

출처: 논문 '수소에너지 제조기술 동향'

CO2/H2	개질기술
0.25	수증기 메탄 개질법
0.31	수증기 펜탄 개질법
0.33	메탄 부분 산화법
0.59	중유 부분 산화법
1.0	석탄 부분 산화법

<표2> 개질기술에 따른 수소 대 이산화탄소 생산비율

출처: 논문 '수소에너지 제조기술 동향'

2) 생물학적 수소제조기술

생물학적 수소 생산기술은 다양하여 기질로 사용되는 원료물질에 따라 물, 유기물 가스로 크게 구분되며, 미생물의 다양한 메커니즘에 따라 여러 가지 기술이 알려져 있다. 미생물의 특성에 따라 크게 두 가지로 분류 할 수 있는데, 하나는 빛을 이용하는 광합성(Photosynthesis)미생물에 의한 수소 생산법이고, 다른 하나는 빛을 이용하지 않는 미생물에 의한 혐기발효 방법이다. Fig.1은 다양한 미생물에 의한 수소 생산 방법을 미생물의 특성에 따라 분류한 그림이다.

출처: 논문 '생물학적 수소생산 공정'

광합성을 이용한 수소생산 방법에 관여하는 미생물은 크게 Green algae, Blue green algae, Photosynthetic bacteria로 구분 할 수 있으며, 혐기발효에 관여하는 미생물은 Fermentative bacteria가 있다. 이들 미생물은 자신이 가지고 있는 효소를 이용하여 수소를 생산해낸다. 따라서 수소 생산 미생물에 의한 수소 생산 조건 최적화 연구와 함께 그 효소에 관한 연구들이 진행되고 있다. 그러나 이들 효소에 관하여 충분한 연구가 되어 있지는 않은 실정이다. 그러므로 앞으로는 미생물을 통한 수소생산뿐 아니라, 수소생산에 직접 관여하는 효소들을 미생물로부터 분리하여 효소 반응 공정 최적화를 통해 높은 수소생산성보다는 심도있는 연구에 더 관심을 기울여야한다고 생각된다.

3) 물 전기분해 법

물 전기분해는 전기를 가했을 때 물이 분해되어 수소와 산소를 발생하는 반응이다.

아래 Figure 2를 통해 반응을 눈으로 확인 할 수 있다.

 

  출처: 논문 '수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향'

물 전기분해에서 성능을 결정하는 가장 대표적인 것은 전극촉매이며, 전극물질과 표면상태에 따라 필요한 전압과 성능이 결정된다. 또한 일반적으로 수소발생을 위해 전극표면에서 Figure 3와 같은 반응단계가 일어나는데,

 

출처: 논문 '수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향'

간략하게 단계별로 설명하면,

1단계(Volmer 반응): 수소이온이 환원되면서 전극에 수소원자 형태로 흡착하게 된다.

2단계(Heyrowsky 반응): 그 다음 하나의 흡착된 원자와 용액의 수소이온이 반응한다.

3단계(Tafel 반응): 두 흡착원자가 결합되어 수소가 발생한다.

  위의 반응은 전극물질에 따라 수소발생속도가 다르며, 그 활성도는 수소발생의 효율을 결정한다. 물 전기 분해법은 가장 간단하면서도 신뢰성이 높고 대량생산이 용이하며, 전력소모가 많아 순도가 높은 수소를 소규모로 제조하고자 할 때 주로 이용된다. 이 방법은 가장 오래된 수소제조방법으로 실용화된 기술이지만 경제성이 없어 세계적으로 널리 이용되지 않고 있다. 여기서 경제성이 없다는 의미는 물 전기분해에 의한 수소 생산의 경우 전력을 소모하기 때문에, 실용화되기 어렵다는 것인데, 이를 해결하기 위해서는 물 전기분해를 통한 수소생산의 효율성을 높이는 시스템의 개발과 수소발생에 활성이 높은 전극촉매 제조기술 연구가 필요하다.  

4) 열화학 사이클에 의한 수소제조

열화학 사이클에 의한 수소제조방법은 직접 열분해법의 문제점을 해결 할 수 있는 방안이다. 직접 열분해법은 물을 3,300K 이상의 고온으로 가열하여 수소와 산소로 직접 해리하는 방법으로 고온의 열원과 고온의 상태에서 수소를 분해하는 것이 큰 난제이다. 그러므로 물 분해를 단계적 반응으로 나누어 비교적 낮은 온도(1,300K 이하)의 화학반응들로 구성하여 전체적으로는 물을 분해하는 폐 사이클(Closed cycle)이 되도록 하는 방법이 바로 열화학 사이클을 이용한 수소제조 방법이다. 열원으로는 고온의 가스로 또는 집열된 태양열, 핵반응로를 사용할 수 있으며, 제철소 용광로 페열 등의 이용도 가능하다. 흡열반응에 필요한 열과 발열 등을 상쇄하면 이론상 전기분해법 보다 높은 열효율을 얻을 수 있어 1967년 이래 200여 개가 넘는 많은 사이클이 제안되어 있는 상태이며, 일반적으로 이를 아래 다섯 가지로 분류할 수 있다.

    ⓵ Deacon equilibrium을 이용한 사이클( 수증기와 염소로부터 산소를 발생시킴.)

⓶ 수증기와 탄소 또는 일산화탄소의 산화반응을 이용하는 사이클

⓷ 여러 산화상태를 가지는 전이금속 산화물을 이용하는 사이클

⓸ 할로겐화합물을 이용하는 사이클

⓹ 혼성 사이클 

열화학 사이클 공정의 기본 반응은 다단계를 거치지만 전체반응은 수소와 산소만 생성한다. 미국, 서독 및 일본을 중심으로 이와 같은 사이클 연구가 지속 되었으며, 200여가지 이상의 사이클이 제안되었다. 최근에는 금속산화물을 이용한 2단계의 열화학 사이클이 스위스와 일본 등에서 연구 중에 있으며, 태양열을 이용한 시스템으로 구상하고 있다.

 

5) 국내외 수소제조 기술동향

(1) 미국

미국의 경우 수소를 기반으로 하는 에너지 시스템을 21세기 에너지 수급과 관련한 국가적 문제로 보며, 온실가스 배출 및 대기 오염과 관련한 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 국가 전략적 사업으로 인식하고 있다. 미국은 중앙 집중식 수소제조와 현장 분산식 수소 제조법 모두 향상된 기술이 필요하다고 말한다. 현존하는 상업용 기술인 천연가스 수증기 개질, 복수연료 가스화, 수전해법의 향상에 초점을 두고 있으며, 첨단 기술인 생물학적 수소제조, 원자력 및 태양력을 이용한 열화학적 수소 분해법 개발을 지속하고 있다. 또한 미국은 수소에너지 시스템을 생산, 배급, 저장, 전환, 최종 활용처로 구분하고 각각의 부분시스템 실현을 위한 국가 전략 로드-맵을 작성하였다.

(2) 유럽

유럽의 국가들은 공동으로 또는 단독으로 기술발전을 위한 프로그램들을 가지고 있는데, 유럽국가가 공동으로 협력하여 개발한 대표적인 프로젝트의 예로, 유럽 9개 국가에서 20개 기관이 협동하여 개발한 EIHP2 프로그램(European Integreted Hydrogen Project-Phase Ⅱ)을 들 수 있다. 이 프로그램에서는 수소자동차의 대량 보급을 위해 수소스테이션, 수소자동차와 관련된 안전법규 제정, 표준화, 코드확립을 위한 연구를 진행하였다. EU 내에서 가장 활발한 수소 프로그램을 진행하는 국가는 ‘독일’이며 수소시스템 구축계획 및 다양한 개별 수소 실증 프로그램이 연방정부, 지방정부 그리고 산업체의 공동 참여 하에 가동되고 있다.

(3) 일본

일본이 지금까지 추진완료 또는 추진 중인 대표적인 프로그램으로 WE-NET 프로그램, NEW H2 Project 그리고 JHFC 실증 프로젝트를 들 수 있다. 일본은 매우 적극적인 수소에너지 시스템 구축을 위한 노력을 경주하고 있으며, 상업화 계획을 적극 추진 중에 있다.  

(4) 국내

현재 국내에서는 에너지원보다는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 이용하는 것이 대부분이다. 주생산원인 울산, 대산 및 나주의 석유화학공정에서는 주로 Naphstha Cracking 방식을 사용하여 수소를 생산하며, 수소시장의 대부분을 석유화학공정 및 제철소의 부생가스로부터 정제 및 생산을 하며, 석유화학공정용 또는 화학공업의 원료로 석유화학회사의 자가소비가 대부분을 차지한다.

국내의 수소시장 규모는 연간 약 4백억 원이며, 유통업체로는 ㈜덕양에너젠, SPG산업(주), ㈜비오씨 가스코리아, 그리고 다수의 충전업체 등이 있다. 공급방식으로는 파이프라인을 사용하여 공급하는 것이 56%로 가장 크며, 그 외에 카트리지에 의한 수송과 일부 실린더에 의한 공급도 있다.

수소 에너지는 공해가 없는 청정에너지이며, 미래원천 에너지이다. 그동안 수소에너지는 특수 분야에 이용되었으나, 현재는 무공해 동력원으로 실용화 범위가 확대되고 있다. 특히 기후변화협약에 의한 이산화탄소 저감대책 대안으로 수소에너지 이용확대가 기대되는 시점에서 수소에너지 제조기술을 확보함으로써 에너지문제를 해결하고 국가 경쟁력을 높일 수 있다고 생각한다. 또한 여러 수소제조기술에서 선진국의 동향과 실용화 전망 그리고 국내기술 수준과 개발역량을 고려하여야 할 과제를 도출하고 개발계획을 세워야한다. 수소 제조기술을 초기시장의 불확실성으로 인해 민간부문에서 투자를 꺼리고 있는 실정이며, 선진국에서도 정부주도로 지원하고 있다. 우리정부도 수소제조기술 확보를 위해서 지원을 하고 있으며, 앞으로도 지속적인 지원이 있어야 한다고 생각한다.

 

참고문헌

수소에너지 기술, 어디까지 왔나?, The Science Times, 2019

[신재생 에너지] 신재생에너지 종류 “수소에너지 개념/특징/국내외 현황”, 한국에너지공단 블로그, 2016

[특집:신에너지기술] 수소에너지 기술 현황,2001

수소에너지 제조기술 동향, 한국과학기술단체총연합회

주류에너지가 되기 위한 첫 번째 단계 ‘수소생산 방법’이란?, 한국에너지공단, 2018